针对盘试验研究了超薄全氟醚润滑膜的针表面粗糙度对摩擦力的影响

摘要

利用气体簇束离子束照射玻璃凸透镜，制作了用于针盘滑动试验的超光滑探针。在制备过程中，对辐照条件进行了各种变化;其中包括一次照射Ar簇或两次照射Ar和N₂簇，有或没有Ar簇协助韧碳沉积前的N₂照射，以及在表面上施加不同的离子剂量。我们成功地获得了中心线平均表面粗糙度范围从1.08到4.30纳米的探针。使用这些探针，我们测量了施加在涂有分子薄润滑膜的磁盘上的摩擦力。比较了不同羟基端数的全氟聚醚润滑膜，结果表明，摩擦力随针表面粗糙度的减小而增大，随羟基端数的增加而增大。

1.介绍

在磁盘存储中，必须尽量减小头盘间距以使位密度最大。最近，间距4-5纳米已经达到，这是之间的间距的底部的磁极尖端和刚性磁盘表面。为了进一步减小间距，涂在磁盘上的润滑油膜被稀释并使用分子极性增加的润滑油进行强化。一些常用的润滑剂是带线性主链和端基羟基的功能化全氟聚醚(PFPE)，称为PFPE极性润滑剂(solv- solexis)。增加了-OH基团的数量，以保证润滑膜具有较强的保留作用[1,2]。

最近，动态飞行高度(DFH)被用于读/写操作。头部极尖底部受热后突出，形成半球状突起，曲率半径为几毫米[3.]。因此，对突出头部和用分子薄极性润滑膜润滑的圆盘的摩擦学特性的评估是非常重要的。Shimizu等利用激光多普勒振动计(LDV)、声发射(AE)测量、摩擦力测量等方法研究了滑块在着陆过程中的动力学特性。他们的结论是，磁头盘接口(HDI)的摩擦力在着陆过程中继续增加，即使当加热器功率增加时滑块振动和声发射信号减小。需要减小HDI处的摩擦力，以进一步减小HDI间隙[4]。Sonoda等人研究了两种PFPE润滑油的摩擦学性能，基于部件级，并进行了驱动级测试。具有较低摩擦性能和较低表面能的磁盘显示更好的HDI性能[5]。

迄今为止，许多实验研究已经解决了单层润滑剂的摩擦学行为，采用表面力装置（SFA），摩擦力显微镜（FFM）和纤维摆动方法（FWM）。因为每种方法都使用精细的探头，因此难以将探头的直接应用于实际的头磁盘接口。SFA探针的曲率半径约为10mm [6]，这相当于实际的头盘接口受制于DFH。对于FFM，半径约为20 nm，对于FWM，半径约为4-100μ.m;两种情况下的值都相当小[7,8]。使用SFA和FFM测量的PFPE Z和聚二甲基硅氧烷(PDMS)单层膜的摩擦力有很大差异;这些差异归因于探针是否穿透薄膜[9]。最近，在非常轻的载荷下进行FFM实验时，已证实使用FFM获得的摩擦系数几乎相同[10]。这些方法是基于理想的条件，没有粗糙度(SFA)或非常尖锐的尖端(FFM)，这与实际的头盘接口的条件有很大的不同。摩擦力主要由两部分组成:一是负荷控制的，另一是黏附控制的[11]。前者表示摩擦随外部正态载荷线性变化，称为阿蒙顿定律，后者表示非线性摩擦与载荷特性，通常与载荷功率的2/3成比例。在多粗糙度接触中，载荷控制摩擦占主导地位，而在单粗糙度接触中，黏着控制摩擦占主导地位。通过限制介入两表面之间的污染物膜，可以实现从多面接触到单面接触的转变[12]。

这些结果表明，即使是纳米级的粗糙度也会深刻影响单层润滑膜的摩擦学行为，因此需要超光滑或不同粗糙度的探针。在本研究中，为了评估在与实际头盘界面相似的几何条件下薄润滑膜的摩擦学行为，我们通过使用气体簇离子束(GCIB)辐照制造了用于针对盘滑动试验的超光滑探针[13,14]到商用玻璃凸透镜。我们成功地获得了具有平均表面粗糙度中心线()，范围从1.08到4.30纳米。使用这些探针，我们测量了施加在涂有PFPE润滑膜的磁盘上的摩擦力，该膜具有不同数量的-OH基团。结果表明，新研制的探针可用于在实际尺度上评价单层润滑油膜。

2.玻璃滑动销的修改和平滑

考虑到突出头部的曲率半径为毫米，我们选择了BK7平凸透镜(Sigma Koki;SLB-05-10P)，其曲率半径为5.19毫米，直径为5毫米。为了改善透镜的表面粗糙度，我们对其表面进行了GCIB处理。由于气簇离子是由成千上万的气体原子组成，即使GCIB的能量很高，但分布在每个原子上的能量仍然处于超低水平。这允许表面修饰，如蚀刻，平滑，和沉积在没有强烈损害表面进行。使用GCIB处理获得的平滑效果取决于一些参数，如原子的类型、电子轰击能量、离子加速能量和被照射簇的数量[13]。我们的目标是优化这些参数，以平滑玻璃镜片的表面。在以往研究的基础上，确定了电子轰击和离子加速能分别为150 eV和7 keV。采用Ar簇进行主加工，N₂用于其他处理的集群。因此，Ar簇照射称为一步照射，N₂簇照射，继Ar簇照射后，称为两步照射。我们还应用了gcib辅助类金刚石(DLC)沉积(野村电镀);强硬的碳)[14通过升华C，在Ar-Gcib改性表面作为连续处理AR辐射₆₀富勒烯进入沉积室。硬碳的厚度被固定在300纳米。最后,N₂簇被应用在顶部表面。表中列出了GCIB处理的所有条件1。每个条件下制备了两个玻璃针脚。

GCIB操作后，使用纳米仪器IIIa用原子力显微镜(AFM)测量上表面的表面粗糙度。图中显示了原始表面和GCIB在无DLC膜的玻璃探针表面上的辐照表面的典型形貌1。表1显示了GCIB条件和三组测量后得到的平均粗糙度。数字1(一)表中为pin 1的原始玻璃表面1,图1 (b)为pin 2显示，并图1 (c)这是针对pin 3的。作为参考，AFM图像也显示在图表中3.(一)和3.(c)为原始表面和最光滑表面，对应图形1(一)和1 (c)。虽然数据1(一)和1 (c)在亚纳米中显示噪声图，这些噪声图是由外部振动产生的，测量的粗糙度值不受噪声的很大影响。两步GCIB辐照降低了玻璃探针表面的粗糙度，但一步GCIB辐照显著增加了探针表面的粗糙高度。图中显示了受GCIB照射的探针上DLC表面的粗糙度2。数字2(一个)如图4所示2 (b)显示引脚5，并图2 (c)显示销6。作为参考，AFM图像也显示在图表中3.(d)3.(f)符合数字2(一个)来2 (c)。GCIB照射DLC膜表面后，膜表面比原表面有更多的凸起。因此，一步Ar GCIB辐照增加了玻璃表面和DLC表面的粗糙高度和两步Ar- n₂GCIB辐照降低了表面粗糙度。

利用这些图，我们可以比较GCIB处理产生的粗糙度的变化单位定义为中心线在粗糙度曲线上平均粗糙度，，定义为均方根粗糙度在测量面积为25×25的区域内，三个最高点的平均最大峰值高度是什么μ.米²。我们选择了作为用于确定彼此接触的两个固体表面之间的分离距离的值的值。对图2(一个)，原玻璃表面，尖峰稀疏分布，如图所示2(一个)作为白色彩色斑点。为1.40 nm，该值表示光学使用的良好表面，和是10.26纳米，比七倍高。对图2 (b)当无DLC的一步GCIB时，粗糙度比原始表面增加更多，说明Ar团簇相当强。就数字而言2 (c)，无DLC的两步GCIB，稀疏分布的峰减小为的4.99 nm，表示N₂GCIB在平滑方面很有效改进到1.08 nm。因此，我们获得了从1.08到4.30纳米的各种表面粗糙度从4.99到34.83纳米英寸单位。

3.摩擦测试

使用经过gcib处理的平凸透镜，将其粘在商用飞头滑块上，并通过滑块悬架弹簧(弹簧常数为19.0 N/m)以9.8 mN的固定载荷加载到磁盘上进行针对盘摩擦试验。同一销钉在同一滑轨上进行了5次摩擦试验，每个销钉在同一滑轨上以1mm的间隔由内向外轻微移动，轮盘转动略有变化，以获得2mm /s的恒定速度。这个旋转速度比实际的HDI速度要慢得多。然而,摩擦力量衡量pin-on-disk试验机使用低转动速度是用于比较的基本磁磁盘上润滑油的摩擦学性能的电影因为很明显摩擦力量发挥了重要作用在滑块之间的交互和磁盘表面,所述参考(15,16]。用溶剂(杜邦公司;Vertrel XF)当磁盘被改变时，即在每一次旋转之前对不同的润滑膜。

在实验圆盘上涂上一层氮化的，4纳米厚的带有an的DLC膜值0.2 nm。实验润滑油为PFPE Z-dol(分子量为2000)，两端各有一个羟基(-OH)， Z-Tetraol(2400)，两端各有两个-OHs, Z-Tetraol-multidentate (Z-TMD);在主z -四醇链上有4个-羟基[1,2]，如图所示4。

用椭偏仪(MARY by Five Lab. Co.)测量的薄膜厚度为1.1、1.2和0.8 nm，在Z-dol、Z-Tetraol和Z-TMD摩擦测量结果为20%、66%和80%的一天后，测量的键合厚度为Z-TMD。此处，结合比定义为用溶剂(Vertrel XF)冲洗润滑油涂覆表面后，涂覆的润滑油厚度与残留膜厚度的比值。Z-dol2000的单层厚度约为1.4 nm, Z-Tetraol的单层厚度约为1.7 nm [17]。Z-TMD的单层厚度与Z-dol2000的单层厚度大致相同[18]。值得注意的是，在这项研究中的涂层薄膜要么和单层膜一样薄，要么更薄。所有实验都在一个干净的展台中进行，温度范围为25℃~ 29℃，湿度为55% ~ 65%。

4.结果和讨论

实验结果如图所示5,图5(一个)显示Z-DOL，图的结果5（b）对z -四醇，和图5（c）Z-TMD。横坐标表示平均峰高，纵坐标为摩擦力。图中符号为BK7原玻璃表面、Ar- gcib处理后的BK7玻璃表面、Ar/N处理后的BK7玻璃表面₂-GCIB处理，DLC表面经过Ar-GCIB处理。用夹在符号中间的短条形标记了相同条件下五个实验的变化范围。这些杆对应于所测摩擦力的最大值和最小值。

由于表面特征、薄膜厚度、磁盘表面粗糙度和滑移引起的振动的局部变化，数据点相当分散。在Z-dol薄膜的情况下，摩擦力几乎保持不变，但粗糙度不同。这是归因于这样一个事实:结合率低至20%,并且,因此,游离的分子的流动性大,活动分子探针和磁盘表面之间的低粘度降低了摩擦力以同样的方式作为液体动力润滑,如图6。

在z -四醇膜的情况下，摩擦几乎没有变化大于15nm。然而，当粗糙度小于10 nm时(此时粗糙度大于10 nm)值大致相当于单层膜厚度，如表所示1），数据点的散射增加，但平均而言，摩擦力随着粗糙度的降低而增加。然而，粘合率高达66％，并且由于高接触压力，可以针对相对粗略的探针除去润滑剂分子;在相对平滑的探针的情况下，由于在变形之后，由于增加的接触面积和许多键合区域，并且在变形后，接触面积仍然存在许多键合的分子，如图所示7，这是限制条件。受限分子表现出类似固体的特征，因此，单一粗糙条件成为主导[12]。这被认为是摩擦增加而粗糙度降低的主要原因。

在Z-TMD膜的情况下，摩擦随粗糙度的降低而增加的现象更加明显。这是由于成键率高达80%，比Z-Tetraol的成键率要高得多，因此大部分分子都留在了接触区域内。这加强了从多重粗糙接触到单一粗糙接触的转变。注意，在相对较大的粗糙度范围内，不同润滑剂的摩擦力几乎相等，这是多重粗糙接触遵循的阿蒙顿定律的基本特征。根据这些结果，我们得出结论，相对光滑的探针测得的摩擦力可能取决于润滑油材料的动态粘度，因为Z-TMD、Z-Tetraol和Z-dol2000的动态粘度分别为23 Pas、3.5 Pas和0.153 Pas， [19,20.]。需要进一步的研究来阐明这些润滑剂的摩擦性质的差异。

对于DLC涂层的影响，我们估计其对摩擦力的影响较小，因为在Z-Tetraol和Z-TMD情况下，DLC涂层的粗糙度与无DLC的玻璃针脚的粗糙度变化趋势是一致的。摩擦测量没有显示变化在小峰高度的z多尔润滑盘相比，其他润滑剂的评估。

在前vios实验测试的基础上，我们证实了gcib制备的各种粗糙度的探针用于评价单层润滑膜的有效性。然而，使用GCIB制备方法制备的探针表面的化学性质可能会发生变化，例如，GCIB辐照氩气和氮气注入探针表面的润滑剂亲和力发生变化[21]或经GCIB处理的DLC涂层[22]。类似地，使用GCIB处理的DLC涂层可能会改变探针表面的机械性能，例如杨氏模量或硬度。需要进一步研究由GCIB制造带来的这些性质变化的影响，以便精确理解它们。

5.结论

利用气体团簇离子束(GCIB)对玻璃凸透镜进行辐照，制备了用于针盘滑动试验的超光滑探针。在不同的GCIB处理条件下，我们获得了不同范围的探针表面粗糙度，其值从1.08到4.30 nm in不等单位。使用这些探针，我们比较了具有不同羟基末端数目(Z-dol、Z-Tetraol和Z-TMD)的PFPE单层润滑剂膜。在Z-dol的情况下，摩擦力在实验粗糙度范围内几乎保持不变。在Z-Tetraol和Z-TMD条件下，摩擦力随粗糙度的减小而增大。

致谢

这项工作得到了一项“支持在私立大学建立研究基地的战略项目”的支持:配对基金补贴，一项对科学研究的补助金(C;不。(225601530001)由教育部、文化部、体育部和科技部资助，并得到了存储研究联盟(SRC)的资助。作者对HGST的Marchon博士慷慨捐赠实验所用的润滑剂表示感谢。

参考资料

1. B. Marchon, x.c Guo, T. Karis等，“超低磁间距的Fomblin多齿润滑剂”，IEEE磁学汇刊，卷。42，不。10，pp。2504-2506,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. r.j. Waltman, H. Deng, G. J. Wang, H. Zhu, G. W. Tyndall，“PFPE薄膜厚度和分子极性对低飞滑块提取磁盘润滑油的影响”，摩擦学的信，卷。39，没有。2，pp。211-219，2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. M. Kurita, T. Shiramatsu, K. Miyake等，“使用MEMS热致动器的主动飞行高度控制滑块”，微系统技术第12卷，no。第369-375页，2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. “利用热飞行高度控制的滑块触地动力学实验研究”，微系统技术第17卷，no。5-7, 2011年897-902页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 白川、山本、伊藤，“新型结构润滑剂在头盘界面的摩擦学性能”，国立台湾科技大学机械研究所硕士论文。IEEE磁学汇刊第43卷，no。2007年，第2250-2252页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. j . n . Israelachvili分子间力和表面力王建民，学术出版社，1992年第2版。
7. S. Itoh, K. Fukuzawa, Y. Hamamoto, H. Zhang，和Y. Mitsuya，“动态粘弹性测量在分子狭窄间隙中的液体润滑剂的纤维摆动法”，摩擦学的信第30卷，no。第177-189页，2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 王建民，“应用光纤纳米密度法测量磁碟表面PFPE润滑膜的粘弹性”，国立中山大学机械工程研究所硕士论文亚太磁记录会议论文集(APMRC '10)2010年11月，新加坡，BA2。视图:谷歌学术搜索
9. P. M. McGuiggan, J. Zhang, S. M. Hsu，“用原子力显微镜和表面力仪器测量摩擦力的比较:尺度的问题”，摩擦学的信第10卷第1期第217-223页，2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. M. Ruths，“芳香自组装单分子层的边界摩擦:一个或两个滑动表面覆盖硫醇单分子层体系的比较”，朗缪尔第19卷，no。17，第6788-6795页，2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 混合和单组分芳香族单层膜在不同粘接强度接触时的摩擦，物理化学杂志B第110卷，no。5，第2209-2218页，2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. C. A. J. Putman, M. Igarashi, R. Kaneko，“摩擦力显微镜中的单一粗糙摩擦:复合尖端模型”，应用物理快报，第66卷，第3221-3223页，1995年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. 《气体团簇离子束辐照对表面图案的修正与平滑》，台北:国立台湾大学机械研究所硕士论文。应用表面科学，第256卷，no。4，第1110-1113页，2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. "气体团簇离子束辅助沉积硬DLC膜的形成"。物理研究中的核仪器与方法，第二节，卷。201，不。2，pp。405-412,2003。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. C.-D。杨，“摩擦力的测量与建模在硬盘驱动器，”IEEE磁学汇刊第44卷，no。1, 157-162页，2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. A. I. Vakis，S.-C。李和A.Polycarpou，“动态头盘界面不稳定性，带有摩擦力接触（冲浪）录音”，IEEE磁学汇刊第45卷，no。11，第4966-4971页，2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. H. Tani, T. Shimizu, N. Kobayashi, Y. Taniike, K. Mori，和N. Tagawa，“磁盘表面多齿官能团PFPE润滑剂的分子构象的实验和分子动力学模拟研究”，IEEE磁学汇刊第46卷，no。6，PP。1420-1423,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 陈宏辉，郭志强，周建民，“分子结构对全氟聚醚纳米膜构象和动力学的影响”，IEEE磁学汇刊第43卷，no。6，第2247-2249页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 郭，B. Knigge, B. Marchon, R. J. Waltman, M. Carter，和J. Burns，“磁盘驱动器中超低头/磁盘间距的多齿功能化润滑剂，”应用物理学杂志第100卷第1期4、文章编号044306,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. http://bikvar.ru/fombl/magn_disk.pdf.。
21. N. Toyoda，I. Yamada，H. Tani和Y.Sakane，用气体聚类离子束照射的非晶碳膜表面表征和润滑剂性能，“IEEE磁学汇刊第46卷，no。6，第1464-1466页，2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. 张洪华，“气体团簇离子束处理下玻璃表面粗糙度与表面能之变化”，硕士论文。佳斯特Tribologist第57卷，no。2，页116-122,2012(日文)。视图:谷歌学术搜索

版权

H. Tani等人版权所有这是一篇开放获取下发布的文章知识共享署名许可，允许在任何媒体中不受限制地使用、发布和复制原创作品，只要原稿被正确引用。